数值模拟飞秒激光加热金属的热电子发射

研究了超短超强激光脉冲与薄膜靶相互作用中产生的电子热发射.当超短激光脉冲与薄膜靶相互作用时,首先入射超短脉冲激光对吸收深度内的自由电子进行热激发,接下来热激发电子将能量传递到附近的晶格,再通过电子和晶格二体系的热传导,以及电子晶格间的热耦合,将能量传递到材料的内部.因此,电子在皮秒级甚至更短的时间内不能与晶格进行能量耦合,使电子温度超出晶格温度很多,电子热发射就变得非常明显了.用双温方程联合Richardson-Dushman方程的方法对飞秒脉冲激光照射金属靶的电子热发射进行了研究,结果发现电子热发射对飞     

物理参数变化对短脉冲激光激励温度场的影响

 为研究多物理参数（耦合系数、电子热导率、电子热容、晶格热容）同时随温度变化对短脉冲激光辐照金属材料产生温度场分布的影响,基于双温耦合理论,建立了短脉冲激光辐照金属材料金的加热过程的有限元求解模型。在同时考虑脉冲激光的空间、时间分布和多参数同时随温度变化的情况下,得到短脉冲激光辐照金属材料金激励产生的温度场二维瞬态分布,并进一步比较了多物理参数同时随温度变化和采用室温物理参数两种情况下温度场分布的区别。数值结果表明：多物理参数同时随温度变化使电子温度和晶格温度的上升变快,最大值变大,而且使得材料中激光穿透直接辐照到的区域温度变高。     

飞秒脉冲激光作用下金属薄膜的热弹性研究

利用双曲-双温两步热传导和热电子崩力模型,考虑到晶格温度与应变速率的耦合效应,得到了用于描述飞秒激光作用下金属薄膜热力效应的超快热弹性模型。以飞秒脉冲激光辐照金属铜薄膜为例,运用具有人工粘性和自适应步长的有限差分算法,对不同能量密度和脉冲宽度条件下薄膜体内温度场和应力场的变化规律进行了数值模拟,对比分析了电子晶格耦合系数对超快加热过程的影响。结果表明,飞秒脉冲激光辐照早期为明显的非平衡加热过程,电子温度迅速升高,而晶格温度的升高却相对较慢;激光辐照早期的热力耦合效应导致薄膜前表面附近的热应力表现为压应力,随着时间的推移,热应力由压应力转变为张应力,为激光加工和激光对抗提供了理论参考。     

短脉冲激光加工硅膜的传热过程及烧蚀图形的二维计算

为研究短脉冲激光辐照硅膜表面后的能量传输过程,基于双温方程的计算方法以及自由电子气理论,建立了求解能量传输方程的二维有限元模型.针对红外以及可见光波段的激光,通过限制硅膜的大小,有效地控制了计算的精度,并得到电子温度与热流的时间以及空间分布.计算结果表明,激光诱导产生的等离子体密度极大地影响了硅膜表面的反射率及光吸收系数;通过分析电子热流密度随时间的变化曲线,得到硅膜内部能量的传输过程;在激光作用过程中,硅膜内部晶格温度始终保持在熔点以下,证明了等离子体密度是激光烧蚀硅膜的主导因素;预测了激光烧蚀的图形,并分析了不同波长的激光烧蚀图形与高斯曲线的关系.     

波段外脉冲激光对锗透镜热冲击效应的数值与实验研究

基于热传导及热弹性力学的基本关系式,建立了激光辐照锗透镜的热力耦合数学物理模型,对瞬态热传导方程和应力平衡方程进行有限元数值求解,得到了锗透镜的温度场和应力场分布,并利用波长1.06 μm,脉冲宽度10 ns的Nd∶YAG脉冲激光对锗透镜进行了热冲击实验研究.数值分析表明,热应力损伤在锗透镜的脉冲强激光损伤中占据主导地位,在短脉冲激光辐照下,锗透镜出现热应力损伤的激光能量密度小于出现熔融损伤的激光能量密度,热应力损伤主要集中在光斑中心区域并体现为压应力损伤,将使材料表面出现裂纹或剥落,实验结果与数值分析基本相符.     

飞秒激光多脉冲烧蚀镍钛合金的数值模拟

为了研究飞秒激光多脉冲累积效应对镍钛合金材料的影响,通过考虑多脉冲之间的时间间隔改写激光光源项,利用改进的双温模型,采用有限差分法,对飞秒激光三脉冲烧蚀镍钛合金的温度场分布进行数值模拟,得到了电子和晶格温度随时间和烧蚀深度的演化规律.分析了多脉冲累积效应的内在机理;讨论了三脉冲条件下不同参量对电子和晶格温度的影响.结果表明:镍钛合金在飞秒激光三脉冲的作用下,电子有3个递增的峰值温度,相比单脉冲的作用,三脉冲使电子和晶格温度明显升高;多脉冲的时间间隔直接影响多脉冲的累积效应;脉冲宽度影响电子的峰值温度和达到峰值温度所用的时间;激光能量密度影响电子和晶格的温度;电声耦合常量对电子与晶格的耦合时间和电子晶格的平衡温度也有重要影响.     

热物性参量对飞秒激光烧蚀金属影响的分子动力学模拟

利用结合双温模型的分子动力学模拟方法,研究了飞秒激光与金属相互作用的烧蚀机制.采用中心波长为800 nm,能量密度从0.043 J·cm~(-2)到0.40 J·cm~(-2)不等,脉宽分别为70 fs和200 fs的激光烧蚀金属镍和铝材料.靶材的温度、原子位型以及内部压力随时间的演化展示了材料热物性参量特性和激光参量对烧蚀结果的影响.结果显示材料电子热传导率对飞秒脉宽激光下的影响仍然较大;对比铝和镍的结果可知,铝的电子晶格耦合系数比镍的小,故电子晶格间的温度梯度持续时间较长;铝的电子热传导系数比镍的大,所以材料上下表面电子温度耦合的时间缩短.铝薄膜表面在能量密度为0.40 J·cm~(-2)激光烧蚀下呈现纳米尺寸的晶体结构.     

飞秒激光脉冲与金属光阴极相互作用

本文从理论上分析了飞秒激光与光阴极相互作用过程，采用双温模型分析了飞秒激光脉冲辐照下金属薄膜的温度效应。通过建立一个简单的光电效应模型，获得了最佳的金属光阴极厚度，通过该模型可以发现，产生的光电流对在飞秒激光脉冲辐照下的电子温度和晶格温度有着很大的依赖关系。     

超快脉冲激光辐照金属薄膜热-力效应的模拟研究

基于双曲双温两步热传导和热电子崩力模型,考虑到超快脉冲激光辐照金属薄膜材料过程中的热-力耦合效应,得到了完全耦合的、非线性的超快热弹性模型.运用具有人工粘性和自适应步长的有限差分算法,以脉宽为100 fs的脉冲激光辐照200 nm厚金膜为例,对薄膜体内的电子-晶格温度及温度梯度、热应力和电子热流进行了数值模拟研究.结果表明：脉冲辐照早期为明显的非平衡加热阶段,同时形成较大的热电子崩力;电子热流出现双峰现象;超快加热引起的热应力是导致薄膜力学损伤的主要原因.     

三维激光等离子体相互作用并行数值模拟

提供一个三维非线性流体力学与激光传播耦合的并行求解软件LAP3D，以帮助物理人员研究激光束自聚焦、激光成丝现象。LAP3D基于三维Cartesian坐标系，假设激光沿z向传播，在等离子体标准中性近似假设条件下，忽略电子动量，求解三维Euler流体力学方程、非局域电子热传导方程、旁轴包络近似的激光传播方程3个物理过程。     

超短脉冲激光辐照硅膜的热弹性

 考虑到热电子崩力的影响,在基于玻耳兹曼理论弛豫时间近似的非线性自相关模型基础上,将晶格温度与应变速率相耦合,建立了超短脉冲激光作用下半导体材料的超快热弹性模型。在单轴应变条件下,利用有限差分法模拟了500 fs脉冲激光作用下2 μm厚硅膜内的载流子温度、晶格温度、载流子数密度、热应力和热电子崩力等的变化情况。结果表明：在低能量密度激光条件下,热弹性效应对半导体材料的影响很小;载流子温度达到峰值的时间比激光强度达到峰值的时间早,随后载流子数密度达到峰值,以及激光脉冲作用5 ps以后硅膜趋于总体热平衡;在脉冲辐照早期,非热平衡阶段形成的热电子崩力在超快损伤过程中起主要作用。     

皮秒激光烧蚀Al膜的理论分析与实验验证

为研究Al膜受短脉冲激光作用时的能量传输过程,建立了一维半经典双温热传导模型。根据材料加工过程的熔化现象,对模型的相变区域进行有效设置。通过有限元法求解,得到晶格温度随时间分布的规律。根据自由电子气理论优化了模型,得到Al膜表面反射率和热吸收系数随时间的分布图。得到了激光辐照所产生热电场的分布规律,并分析了电子温度梯度对其影响。描绘出电子漂移运动速度的分布规律,证实激光作用产生的热电场是电子漂移运动的主导因素,发现最大漂移速度位置随时间的延长而加深。对激光作用后的晶格温度进行了区域性分析,定义了过热加热区,并得到激光烧蚀深度随时间的变化关系。实验结果表明,不同功率皮秒激光烧蚀Al膜的深度接近于理论计算结果。     

采用光谱展宽技术的钛宝石飞秒激光放大器

报道了飞秒激光啁啾脉冲放大器中的激光脉冲光谱展宽技术，实验中使用了几种光谱展宽元件，结果表明使用激光光谱展宽元件能有效地将飞秒激光脉冲 光谱展宽，抑制了飞秒激光放大器中常见的激光脉冲光谱增益窄化现象，从飞秒放大系统的振荡级输出28fs种子脉冲，放大后得到了重复频率为10Hz、峰值功率为1．6TW、脉冲宽度37．5fs的超短强飞秒激光脉冲 。     

在固体透明材料中利用级联四波混频方法获得宽带多色飞秒激光脉冲的研究

飞秒激光光谱学实验研究的深入与拓展对飞秒激光脉冲的要求也越来越高.比如多色抽运探测实验需要同时用到多个不同频率的超短飞秒激光脉冲.本文设计了一个更加简单紧凑的实验装置,对两束不同中心频率的入射光引入相反啁啾,在厚度为0.5 mm的CaF2晶体中利用级联四波混频获得了光谱半高全宽近100nm,支持傅里叶转换极限脉宽小于10 fs的多色飞秒激光脉冲.这一结果将为拓展飞秒激光光谱学研究和应用发挥重要作用.     

光学性质对超快激光辐照下铜膜热响应的影响

在超快激光照射过程中,金属靶材的光学性质是动态变化的。采用双温模型与分子动力学结合法,考虑动态和常数光学性质两种情况,对不同脉宽的超快激光照射下铜薄膜的热响应进行了模拟研究。其中,常数光学性质包括由激光沉积能量相等计算得到的等效平均反射率和室温下的吸收系数。结果表明:两种情况下的电子温度和晶格温度均差别较小,尤其是脉宽远小于电子-晶格弛豫时间的飞秒激光; 而当激光脉宽相当于或大于电子-晶格弛豫时间时,如皮秒激光,光学性质的动态变化对材料的熔化和重凝的影响则比较明显。     

黑体辐射法测量电介质内部被超短激光脉冲加工后的温度

黑体辐射法可用于测量电介质内部被超短脉冲激光加工后,电子和晶格的瞬时温度.当一个超短激光脉冲通过物镜聚焦到石英玻璃内部时,在焦点附近诱导出微结构.微结构中热影响区的最大宽度为16μm,热影响区发出的黑体辐射谱通过物镜、带耦合透镜的光纤、光谱仪以及ICCD组装成的系统记录.测试系统收集了电介质内部被单个激光脉冲辐照后,热影响区发射的黑体辐射谱,然后用Planck公式拟合黑体辐射谱,得到电介质温度.电介质被超短激光脉冲辐照后,首先电介质中的价带电子通过强场电离和雪崩电离跃迁到导带,高温高压的等离子体以冲击波的形式向外运动,通过对流方式传递能量,该过程发生在激光辐照石英后21 ns内.21 ns后冲击波转化为声波,中心的气态石英通过热扩散方式影响周围的固态区域,石英温度缓慢下降.在时刻t(单位ns),石英玻璃的温度为5333 exp(-t/1289)K.石英经过3.72μs将冷却到室温,因此重复频率在269 k Hz以上的激光,加工石英玻璃时具有热累积效应.